基于無線生理傳感器與虛擬現實技術的復愈性環境注意力恢復作用研究

李同予

薛濱夏*

楊秀賢

張麗穎

王梓懿

1 研究背景

人類對自然環境健康促進作用的關注，伴隨工業社會的發展和城市化進程而逐漸興起。自20世紀70年代起，美國環境心理學家注意到自然環境與人的精力恢復、壓力減輕及認知能力提高的積極聯系[1-2]，相關議題迅即成為環境心理學、康復醫學、風景園林學及城鄉規劃等學科的研究熱點[3-6]。

沿襲19世紀60年代奧姆斯特德利用綠色空間緩解城市居民注意力疲勞、減輕生活壓力的主張，以及威廉·詹姆斯(William James)主動性注意力概念[1，3，7]，密西根大學的卡普蘭夫婦(Rachel Kaplan & Stephen Kaplan)于1989年提出注意力恢復理論(Attention Restoration Theory，ART)[8]，認為定向注意力是人們應對當代快速生活節奏的重要資源，容易產生疲勞，進而導致思維能力和情緒控制的障礙，并提出通過感知自然環境的逃離性、迷人性、延展性和兼容性而獲得精神補充和情感恢復[1，7]。環境心理學家烏爾里希(Roger Ulrich)等則通過研究手術病房與住院病人恢復效果的關系，提出壓力減輕理論(Stress Reduction Theory，SRT)，認為自然環境對于改善個體壓力或應激狀態，緩解由應激源造成的生理、心理及行為上的負面影響具有積極作用[2，9-11]，而人工環境往往對這種緩解過程有阻礙作用[2，11]。哈蒂格(Terry Hartig)等于1991年基于不同的復愈體驗理論模型和心理-生理綜合測量手段，測試實驗人群在野外旅行、城市度假和居家安居等不同情境體驗之后，在情緒狀態、幸福感、認知能力等方面的差異，證實自然環境對于人的身心恢復具有短期和長期的作用，進而提出多國語言版本的感知恢復性量表(Perceived Restorativeness Scale，PRS)[3]。

近年來，國內外學者基于對自然環境能夠減輕人的工作壓力、改善情緒、喚醒水平減弱、促使注意力集中和提高認知能力的共識[12-18]，借助功能核磁共振(fMRI)、心電傳感器(EKG/ECG)、皮電傳感器(SC)等現代醫療客觀檢測技術，以及復愈性感知量表(PRS)等主觀評價手段，開展實證研究[12-13，15-18]。主要聚焦以下領域：1)自然環境和城市環境對人身心健康和認知能力的差異性影響[13-15]；2)自然環境和虛擬自然環境在復愈性功能方面的相似性與不同表現[16]；3)不同特性自然環境在注意力恢復方面的差異性表現[17]；4)不同情境下自然環境相對城市環境在注意力恢復方面的差異變化等[18]。

本研究運用便攜式生理檢測設備，克服傳統fMRI等大型醫療檢測設備對被試產生的干擾和場景失真等問題，綜合應用ART和SRT理論模型，利用沉浸式虛擬現實技術，協同檢測ART注意力恢復理論4種復愈性環境及人工環境在定向注意力恢復方面的功效，為當今健康人居環境規劃設計提供原始數據和理論參考。

2 研究方法

實驗設計為本課題組與哈爾濱醫科大學公共衛生學院醫學心理學科研團隊共同研究制定。實驗地點位于哈爾濱工業大學建筑學院虛擬仿真實驗教學中心，擁有三通道立體顯示系統、無縫金屬幕(弧長9m、高2.7m、180°)、三維音效系統等專業級虛擬實驗設備，最大程度保證了環境的逼真性。本研究由預實驗、實時實驗和數據分析三部分組成。實時實驗包括3個環節：實驗準備、壓力輸入、復愈性環境體驗。實驗數據的獲取包括兩方面：1)在沉浸環境中，獲取反映被試注意力狀態的腦電波數據；2)在沉浸環境中，獲取反映被試心率和肌電狀態的生理數據。本研究所提供的沉浸式復愈性環境，依據注意力恢復理論，包括具有以下特征的4種環境類型：逃離性、迷人性、延展性和兼容性。為了獲得自然環境與城市環境對人身心復愈作用的差異性，實驗增設一組城市環境。

2.1 科學假設

根據注意力恢復理論，當人們持續關注某件非常重要但不具有吸引力的事情時，需要調動定向注意力(directed attention)保持精神高度集中，避免因分心而出現差錯，從而導致過度使用神經中樞系統的抑制機能而產生疲勞感；當置身于有復愈性作用的自然環境中，則無須通過努力就能達到很高的注意力水平，處于一種非自主注意力(involuntary attention)活躍狀態，從而使緊繃的神經得到松弛和休息，壓力得到釋放，注意力得以恢復[1，7]。

基于上述理論提出如下科學假設：1)在壓力輸入環節，多數被試壓力水平上升，注意力水平上升，后期由于疲勞而注意力下降；2)在復愈性環境體驗環節，多數被試壓力水平下降，但注意力水平較高，甚至有上升趨勢；3)4種復愈性環境的減壓與注意力恢復作用有差異；4)復愈性環境較城市環境具有更好的減壓和注意力恢復效果。

2.2 沉浸式虛擬環境實驗圖片的選擇

4組復愈性環境類型及特征如下[1]。

第1組——逃離性(Being Away)：不需要耗費定向注意力等腦力活動支持的環境，如海邊(seaside)、山景(mountains)、湖泊(lakes)、小溪(streams)、森林(forests)、牧場(meadows)等。

第2組——迷人性(Fascination)：自然景觀生而固有的特性，擁有“柔軟的”(soft)質感，從而給人留下無盡回味。如云(clouds)、日落(sunsets)、雪花(snow patterns)、微風中的落葉(motion of the leaves in the breeze)等。

第3組——延展性(Extent)：有足夠的空間維度及層次，從而調動人的感知力。野外環境很容易獲得這種空間特性，但是延展性并不意味著大尺度的空間，小而有層次和歷史感的場所同樣能夠提供延展性。

第4組——兼容性(Compatibility)：環境設置能夠滿足使用者正在嘗試或者想要在該環境中去做的事情。根據不同需求，可將使用者分為：捕食者角色、運動角色、馴化角色、觀賞角色、生存技能角色。

實驗圖片選擇方法：根據以上4組復愈性環境類型，邀請7位評分專家對已經過初篩的180張圖片(350dpi，每組環境圖片36張)進行等級評分。7位專家來自國內外高校、設計公司，分別從事環境心理學、建筑設計學、設計學、城鄉規劃學、風景園林學專業工作至少10年以上。根據專家評分結果和內部一致性信度檢驗，選取每組復愈性環境等級排名前12，4組共計48張圖片作為虛擬實驗的刺激材料(表1)。

2.3 實驗控制

實驗控制泛指對實驗精度的一切保障工作，通過盡量消除或加以平衡無關變量、降低實驗誤差，從而保證因變量的變化確實是由于自變量的變化而引起的[19]65-67。

2.3.1 被試量表評定為降低因被試取樣偏差導致影響實驗效度，參與實驗人員來自5所不同高校的在校本科生、研究生，且具有不同的學科背景，如建筑學、會計學、聲樂學、設計學等。為保證實驗順利及實驗數據的可靠性，要求每位學生在實驗前作答《癥狀自評量表Symptom Checklist 90，SCL90》，評定其近期心理健康狀態。SCL90量表包含較廣泛的精神癥狀學內容，從感覺、情感、思維、意識、行為直至生活習慣、人際關系、飲食睡眠等方面均有涉及[20]。將被試作答結果進行統計分析，經SCL90評定患有神經癥、適應障礙等其他輕性精神障礙的學生，不參與本次實驗。

2.3.2 小樣本設計

小樣本設計是被試內設計的一種變式(1≤被試人數≤30)，由于檢測人數較少，需要在高度控制的實驗中對每一個被試進行大量觀察并記錄，通過對自變量的良好控制和因變量的反復測量，小樣本設計本身就能強有力地進行實驗推論[19]83-87。本實驗為保證虛擬環境的最佳沉浸體驗和實驗數據準確性，5組環境體驗分開進行，每位被試每周在固定時間前來參與實驗，每次實驗間隔1周，且每次實驗僅1人，共持續5周。時間條件相同，能保證心率等人體生理指標的一致性；5種環境體驗相距1周進行，避免被試因為連續作業、熟悉實驗情景而導致的練習效應(practice effect)和疲勞效應(fatigue effect)。通過作答SCL90量表，針對招募的學生被試進行篩查，從13名學生志愿者中，篩選出9名被試均處于穩定的生活和學習狀態，近期無大的情緒波動，無正向或負面事件的情緒刺激，如獲獎、度假、失戀、掛科、社交等。最終確定參與實驗的9名學生，年齡在18～26歲，男生5人，女生4人。

2.3.3 預實驗

為檢驗實驗設計的科學可行性，正式實驗前共進行4次預實驗，針對壓力輸入形式與持續時間、實驗影像分辨率、刺激圖片持續時間與間隔等進行反復調試。實驗室保持恒定溫度、控制環境噪聲，燈光調至適合偏暗，保證被試能看到虛擬環形屏幕最佳圖像。

2.3.4 消減實驗者效應

實驗者效應(experimenter effect)是指主試在實驗中可能以某種方式(表情、手勢、語氣等)有意無意地影響被試，使他們反映附和主試的期望[19]。主試的音調語氣、面部表情、無意的肯定或否定等，都會產生潛在的實驗者效應，從而干擾實驗數據的準確性。本實驗過程中盡力降低實驗者效應的干擾，減少主試與被試的互動機會，實驗指導語全部以文字的形式出現在實驗影音材料中。

表1 實驗圖片示意

2.4 被試生理及心理數據的獲取

2.4.1 腦電波數據

本研究運用孵化于哈佛大學創新實驗室(Harvard Innovation Lab)的腦機接口設備：Brain Co 可穿戴無線腦電波(Electroencephalography，EEG)檢測器，通過對人腦前額葉皮外的全頻腦電信號的監測，結合人工智能算法，針對被試在沉浸式環境中的注意力狀態進行實時監測和數據記錄。腦電活動又稱神經元振蕩，是大腦信息傳遞的基本載體，可從中解析大腦所想和控制指令。根據生理特征和頻段范圍，腦電振蕩活動主要分為Delta(δ，<4Hz)、Theta(θ，4～8Hz)、Alpha(α，8～12Hz)、Beta(β，12～30Hz)、Gamma(γ，>30Hz)頻段。BrainCo研發公司受啟發于美國航空航天局(NASA)在降低飛行員駕駛過程中注意力疲勞方面的研究和算法開發[21]，從腦電波算法、芯片及電極層面深入研究，實現了通過單電極對腦電EEG信號的精準捕捉。

2.4.2 心率、肌電數據

心率(Heart Rate，H R)、肌電(Electrodermal Activity，EDA)數據的監測能夠實時獲取被試的壓力狀態。實驗設備采用美國Empatica公司醫療級產品E4智能腕帶傳感器(E4 sensors)，能準確測量心率HR(提取自BVP血容量脈沖)、肌電EDA(提取自GSR皮膚電活傳感器)等5項生理數據。Empatica公司共同創始人兼首席科學家是美國麻省理工學院教授Rosalind Picard，致力于研發測量生理信號和情緒之間相關聯的可穿戴設備。壓力變化與交感神經激活(交感神經喚醒)密切相關，二者成正相關關系。而皮膚是唯一完全由交感神經系統支配的器官(并且不受副交感神經激活的影響)，壓力能夠引發交感神經系統反應并激活汗腺，通過監測皮膚表面的細微電變化(EDA)可以判斷交感神經激活的增加，通過監測心率變化(HR)可以評估身體活動幅度以及處于覺醒、緊張或休息的狀態[22](圖1)。

2.5 實驗程序

2.5.1 實驗準備環節

被試進入實驗室，適應實驗室環境。佩戴無線腦電波頭環、E4手環設備，靜坐休息30s。隨后觀看實驗說明(歡迎語、注意事項等)。

2.5.2 壓力輸入環節

被試作答6組數字推理測試題(The PEBL PASAT-Paced Auditory Serial Addition Test)，限時5min18s，腦電波頭環記錄其注意力變化，E4手環記錄心率、肌電等生理反指標。壓力輸入結束后休息30s。

2.5.3 復愈性環境體驗環節

稍作休息后，被試觀看不同類型的環境圖片，每次實驗僅體驗一種環境類型，每種類型共12張圖片(隨機排列)，播放時間30s/張，限時6min(圖2)。腦電波頭環記錄其注意力變化，E4手環記錄心率、肌電等生理反指標。每位被試5次實驗體驗的環境類型分別為：ART-Being Away-逃離性環境、ART-Fascination-迷人性環境、ART-Extend-延展性環境、ARTCompatibility-兼容性環境、城市街景環境(前4種環境下文將分別簡稱為環境B、F、E、C，城市環境簡稱“City”)。

圖1 實驗過程及腦電波、心率、肌電數據獲取示意圖(李同予、薛濱夏攝)

實驗結束后，摘掉實驗設備并離場。

3 實驗數據分析與結果

實驗中收集每位被試生理數據2 073個(5種環境場景下，被試的腦電波、肌電、心率)。其中，腦電波EEG數據的獲取集中在被試Fpz額極中線區域(Frontal pole midline point)每0.5s(1幀80字節)生成1個專注力數值。獲取心電、肌電數據的E4手環，1s生成4個數值。因此，9位被試完成所有實驗程序后，共生成18 657個數據。接下來采用非參數統計方法(Nonparametric Statistics)R語言進行分析，具體方法包括隨機游程檢驗、Cox-Stuart趨勢性檢驗、Wann-WhitneyU秩和檢驗，實驗結果如下。

1)注意力。對于環境B和F，絕大多數被試的注意力都有所上升，B環境中67%的被試注意力上升；F環境中56%的被試注意力上升；E環境中33%的被試注意力上升；C環境中33%的被試注意力上升，被試X8注意力沒有變化。從腦電波(主要為反映前葉皮質活動的α波)反應來看，復愈性最好的為B環境，F環境次之，E、C環境較差但也具有復愈性。對于City環境，33%的被試注意力上升，被試X2受試者注意力沒有改變。City環境的復愈性與E、C環境接近(表2)。

2)心率。對于環境B、F、E和C絕大多數被試的心率都有所下降，表明被試由緊張的壓力輸入狀態轉入放松、休息階段。B環境中，100%的被試心率數據均呈現下降趨勢，F、E環境中78%被試心率呈現下降趨勢，C環境中67%被試心率呈現下降趨勢。從心率變化角度看，復愈性最好的為B環境，其次為F、E，C環境相對較差但也具有復愈性。而對于City環境，33%被試心率上升，其余被試無增長趨勢，與C環境復愈效果接近。

圖2 實驗程序示意圖(作者繪)

3)肌電。對于環境B、F、E和C絕大多數被試的肌電都有所下降。4種環境被試肌電下降百分比分別為：B環境67%、F環境78%、E環境中56%、C環境中44%。從肌電變化角度看，復愈性最好的為F環境，其次是B、E環境，C環境相對較差但也具有復愈性。對于City環境而言，有5名被試的肌電無增長趨勢，44%被試肌電呈現上升趨勢，環境復愈性接近E環境、優于C環境。

4 討論

4.1 ART理論4種特征環境均有注意力恢復作用

本實驗在壓力輸入環節，被試為避免答題出錯而保持注意力高度集中，腦電波數值迅速升高，接近峰值。同時，由于過分緊張導致心率、肌電指標迅速升高，說明壓力水平較大。稍做間隔，實驗進入復愈性環境體驗階段，絕大多數實驗者的心率、肌電都呈現下降趨勢，說明壓力明顯降低。與此同時，多數被試的注意力仍然能夠持續一段時間居高不下，甚至有上升的趨勢。結果表明，多數被試在4種沉浸特征環境中，能夠在不產生壓力的同時，保持甚至提升注意力水平，符合實驗假設，均具有注意力恢復作用。

4.2 逃離性環境的綜合恢復作用最好

B環境中67%的被試注意力呈上升趨勢，100%被試心率呈下降趨勢，67%被試肌電呈下降趨勢。F環境的恢復作用次之，56%被試注意力呈上升趨勢，78%被試心率和肌電呈下降趨勢。E、C環境的作用相對較差但也具有復愈性。依據ART理論，逃離性環境并不局限于郊野環境，在城市中安全親和、隔離效果強，具有逃離性特征的自然環境，也同樣具有注意力恢復作用[1]。

表2 被試在5種環境中的注意力狀態變化示意

4.3 城市環境也具有一定的復愈性作用

針對環境復愈性的研究，幾乎一致認為自然環境具有明顯改善身心健康的效果，而城市環境則恰恰相反。但本實驗結果卻出乎意料，在觀賞城市環境圖片時，67%被試心率無增長趨勢，56%被試肌電水平無增長趨勢，與C環境結果接近，表明觀看城市環境圖片并沒有增加過多認知活動負荷。城市環境的壓力減輕效果雖不如B和F環境，但接近E環境、優于C環境。

4.4 個體在生理變化和文化偏好的差異不容忽視

被試在生理波動和文化偏好上的個體差異，使得實驗數據在個別項目上出現一定分化，這與以往基于感知恢復性量表(PRS)高度一致的評測結果有所不同。以問卷調查形式為特點的PRS量表主觀性較強，而便攜式生理檢測技術的出現，使得心理學實驗走向實時和精細化的趨勢，能夠反映出被試的個體差異。例如，F環境中的X2受試者、C環境中的X8受試者、City環境中的X2受試者，注意力指標檢測中并沒有明顯趨勢等。即使實驗前期已做了充分的實驗控制工作，但個體差異所導致的實驗結果分化，的確在心理學實驗中不容忽視。

5 結語

實驗證實，ART理論中的逃離性、迷人性復愈環境具有最好的注意力恢復效果，城市環境也具有一定恢復效果。便攜式生理檢測技術和虛擬現實技術的發展，使得針對自然環境注意力恢復的研究，在實時、動態、精細化的背景下，以更接近真實的情景獲得實驗數據。新技術的應用，在提高實驗信度和效度的同時，也體現出更強的個體生理和心理體質的差異性，揭示人與環境交互作用過程中更為復雜的關系和機制。

通過對自然環境特征復愈性效果的比較和排序，該研究也對未來康養旅游項目的選址、路線選擇及康復景觀設計特征塑造、場景組織等實踐探索起到一定借鑒意義。實驗證明逃離性、迷人性環境綜合恢復作用最好，說明在城市環境景觀塑造中，保持生物多樣性、自然美學特征、新奇性和野趣的重要性。城市環境與延展性、兼容性環境復愈作用接近，說明人工環境不只是單純的消極角色，仍具有可塑的潛力和價值，可以通過自然特征的強化來提高環境療愈效果。這些發現都為今后在設計中選擇或融入復愈性環境特征，提升綠道、林地、水體等城市開放空間品質，創造復愈性景觀形式提供借鑒。此外，復愈性環境的兼容性，即如何滿足大多數人的行為需求，也是康復景觀設計中應該考慮的重要因素。

致謝：感謝BrainCo腦機接口技術研發公司為本項研究提供實驗設備，感謝公司CEO、哈佛大學腦科學中心博士韓璧丞先生，研發工程師許大柱博士、美國加州大學戴維斯分校楊錦陳博士提供的支持和幫助。